JP6896493B2 - 超音波受信装置、欠陥検査装置、超音波受信方法、欠陥検査方法、および構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波受信装置、欠陥検査装置、超音波受信方法、欠陥検査方法、およびこれらを用いた構造体の製造方法に関する。

レーザ光を用いた超音波計測法、いわゆるレーザ光超音波法は、従来、実験室的な測定に用途が限られてきたが、大出力の受信用レーザ光源や粗面に強い干渉計測装置が開発され始めたことにより、急速に工業現場への適用が進んでいる。その最大の強みは非接触での計測が可能な点にある。このため、触れられないほど脆い、小さい、狭い、高温であるなどのプローブ接触が困難な対象物、もしくは接触により性能への影響が生ずる可能性がある対象物、あるいはその大きさのため水などの媒質に浸漬できない対象物等への適用が期待されている。

一方で、超音波の受信にレーザ光干渉計測を用いるという特性上、超音波の受信に関わる装置が大掛かりかつ高価となり、例えばフェーズドアレイ超音波のように安易にチャンネル数を増やすことは現実的には困難である。そのため、超音波の受信位置を走査することにより疑似的にチャンネル数を増やしたり、装置の高コスト化を厭わずに多チャンネル化したりといった運用が必要となり、広範な普及への妨げとなってきた。

特許第４６６５０００号公報 特許第５７２１９８５号公報

Ｃ.Ｂ．Ｓｃｒｕｂｙ ａｎｄ Ｌ．Ｅ．Ｄｒａｉｎ， Ｌａｓｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ：Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ，Ｂｒｉｓｔｏｌ，１９９０）

上述の課題を解決すべく、光源等の系統を増やさずにレーザ光超音波の受信チャンネルを増やす試みは以前からなされてきた。例えば、複数の照射機構とそれをつなぐ切り替え手段を設けることで、単一のレーザ光源および干渉計を用いて複数点での超音波受信機能を実現する技術が知られている。しかしながら、この場合は、切り替え手段を設けて各照射点に光を分配する必要があるため機構が複雑となること、１回の超音波励起に対しては１つの受信点でしか超音波計測ができないため完全同時測定ができないことが問題であった。

また、レーザ光照射点を複数化して、単一の干渉計に戻して同時計測できる手法が示唆されている。レーザ光照射点は単一光源に途中で分岐を設ければ光源そのものを増やさずに複数化可能である。しかしながら、同時計測を実現する干渉計の構成について具体性がない上に、独立した各受信点で得られた信号を独立して扱う前提の記載であることがわかる。そのため、受信点の数だけチャンネル数を有するＡＤ変換器もしくは受信点未満のチャンネル数を持つＡＤ変換器に、マルチプレクサ等の切り替え手段を組合せた信号収録系の構築が必須となる。

本発明の実施形態は、これらの技術を踏まえ、複数点における超音波信号を同時計測することができ、また、同時計測した超音波信号に基づいて構造体等の高精度な検査を実現することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る超音波受信装置は、被検査体に照射するレーザ光を励起するレーザ光源と、前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に照射可能に前記レーザ光を分割するレーザ光分割光学系と、前記第１の照射点と前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成し合成反射光として出力する反射光集光光学系と、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力する干渉計測手段と、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定可能に構成され、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価可能に構成された信号処理手段と、を備え、前記信号処理手段は、前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置を、前記被検査体のいずれも超音波励起点側の表面、前記超音波励起点側の表面と前記被検査体を挟んでその反対側、または、前記被検査体の前記超音波励起点側の表面と開先面、のいずれかの組み合わせに設定する照射点定義手段と、前記被検査体の形状並びに前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置に基づいて、前記被検査体における所望の測定範囲から前記第１の照射点および前記第２の照射点までの超音波伝搬時間をそれぞれ算出し、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をカバーするようにそれぞれの前記評価時間窓を定める評価時間窓定義手段と、を具備し、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記評価時間窓が互いに重複しないように設定される、ことを特徴とする。
また、本実施形態に係る超音波受信装置は、被検査体に照射するレーザ光を励起するレーザ光源と、前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に照射可能に前記レーザ光を分割するレーザ光分割光学系と、前記第１の照射点と前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成し合成反射光として出力する反射光集光光学系と、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力する干渉計測手段と、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定可能に構成され、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価可能に構成された信号処理手段と、を備え、前記被検査体は、第１部材と、第２部材と、前記第１部材および前記第２部材を接合する接合部からなり、前記第１の照射点は前記第１部材にあり、前記第２の照射点は前記第２部材にあり、前記評価時間窓は、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をそれぞれカバーするように定められる、ことを特徴とする。

また、本実施形態に係る欠陥検査装置は、被検査体に超音波を励起させる超音波励起手段と、上記実施形態の超音波受信装置と、を備え、前記信号処理手段は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号を前記超音波信号として評価可能に構成されることを特徴とする。

また、本実施形態に係る超音波受信方法は、レーザ光源が、被検査体に照射するレーザ光を励起し、レーザ光分割光学系が、前記レーザ光を前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に分割して照射し、反射光集光光学系が、前記第１の照射点および前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成反射光として合成し、干渉計測手段が、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力し、信号処理手段が、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定し、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価する、超音波受信方法であって、前記信号処理手段は、前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置を、前記被検査体のいずれも超音波励起点側の表面、前記超音波励起点側の表面と前記被検査体を挟んでその反対側、または、前記被検査体の前記超音波励起点側の表面と開先面、のいずれかの組み合わせに設定する照射点定義手段と、前記被検査体の形状並びに前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置に基づいて、前記被検査体における所望の測定範囲から前記第１の照射点および前記第２の照射点までの超音波伝搬時間をそれぞれ算出し、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をカバーするようにそれぞれの前記評価時間窓を定める評価時間窓定義手段と、を具備し、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記評価時間窓が互いに重複しないように設定される、ことを特徴とする。

また、本実施形態に係る欠陥検査方法は、被検査体に超音波を励起して超音波受信方法を実施する欠陥検査方法であって、当該欠陥検査方法は、レーザ光源が、前記被検査体に照射するレーザ光を励起し、レーザ光分割光学系が、前記レーザ光を前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に分割して照射し、反射光集光光学系が、前記第１の照射点および前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成反射光として合成し、干渉計測手段が、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力し、信号処理手段が、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定し、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価する、ものであって、前記超音波信号は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号であり、前記評価時間窓はそれぞれ、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をカバーするように定められる、ことを特徴とする。

また、本実施形態に係る構造体の製造方法は、構造体を準備する準備ステップと、前記構造体を被検査体として上記実施形態の欠陥検査方法を実施する検査ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、複数点における超音波信号を同時計測することができ、また、同時計測した超音波信号に基づいて構造体等の高精度な検査を実現することができる。

第１の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波受信方法の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段に分岐型ファイバを用いた場合の体系を概念的に示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の分割反射光合流手段に分岐型ファイバを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段にハーフミラーを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の分割反射光合流手段にハーフミラーを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段に偏光ビームスプリッタを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の分割反射光合流手段に偏光ビームスプリッタを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割光学系と反射光集光光学系とで一部を共用する場合の体系を概念的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。 図１０に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の別の検出位置を示す断面図である。 図１２に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。 図１４に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波受信装置による評価時間窓と超音波の伝搬経路との関係を説明するための断面図である。 図１６に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。 図１８に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。 図２０に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波受信装置により異なる検出目的の計測を並行して行う第１の例を示す断面図である。 第１の実施形態に係る超音波受信装置により異なる検出目的の計測を並行して行う第２の例を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置の例を示す断面図である。 図２１に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第２の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置の他の例を示す断面図である。 図２１に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法の手順を示すフロー図である。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波受信装置による分割レーザ光の照射点を同一母材部の異なる位置に設定した場合の状態を示す断面図である。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、表面検査と体積検査を同時に行った場合の超音波の時間変化の例を示すグラフである。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、欠陥由来のモード変換波の伝搬を説明する概念的な断面図である。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波受信装置による分割レーザ光の照射点を異なる部材にまたがって設定した場合の状態を示す断面図である。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、溶接の終了後に、表面検査と体積検査を同時に行っている状態を示す断面図である。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波の波形弁別を説明するための超音波の時間変化の例を示す第１のグラフである。 第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波の波形弁別を説明するための超音波の時間変化の例を示す第２のグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超音波受信装置、欠陥検査装置、超音波受信方法、および構造体の製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。超音波受信装置１００は、被検査体９１を伝搬した超音波を、レーザ光照射により測定するものである。

超音波受信装置１００は、レーザ光源１０、レーザ光分割光学系２０、反射光集光光学系３０、干渉計測手段４０、信号処理手段５０、表示手段６０、および入力手段８０を有する。

レーザ光源１０は、超音波を受信するためのレーザ光１を照射するためのレーザ光源である。レーザ光源１０に用いるレーザ光としては、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ光、ＣＯ２レーザ光、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ光、チタンサファイアレーザ光、アレキサンドライトレーザ光、ルビーレーザ光、色素（ダイ）レーザ光およびエキシマレーザ光などが挙げられる。また、これらに限定するものではない。レーザ光源１０は、連続波またはパルス波を用いる。

レーザ光源１０で生成されたレーザ光１は、レーザ光伝送手段１１によりレーザ光分割光学系２０に移送される。レーザ光伝送手段１１は、レンズ、ミラー、ファイバのいずれか、もしくはその組合せから成り、それぞれのレーザ光を長距離伝送するのは空間伝送でもファイバ伝送でもよい。

レーザ光分割光学系２０は、レーザ光１を２系統以上の分割レーザ光２ａ、２ｂに分割するレーザ光分割手段２１と、分割レーザ光２ａ、２ｂのそれぞれを移送する複数のレーザ光移送手段２２ａ、２２ｂと、分割レーザ光２ａ、２ｂのそれぞれを照射する複数の分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂとを有する。

レーザ光分割手段２１は、レーザ光源１０から分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂの間に１つ以上設けられる。レーザ光分割手段２１は、例えば、分岐型ファイバや、ハーフミラーといった偏光を利用しないものでもよいし、偏光ビームスプリッタのように偏光を
利用したものでもよい。いずれにおいても、透過率や偏光を制御することで、任意の光量割合でレーザ光１を分岐することができる。

複数の分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂは、被検査体９１における異なる照射点９６ａ、９６ｂ（照射点９６と総称）に、それぞれの分割レーザ光２ａ、２ｂを照射するように、互いに異なる位置に配されている。

分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂは、分割レーザ光２ａ、２ｂをそれぞれの照射点９６ａ、９６ｂに照射したときに、任意のスポット形状を形成するための光学系を有する。スポット形状は点状、線状、楕円状、リング（ドーナツ）状、三日月状等が考えられるがそれ以外の形状でもよい。光学系はレンズやミラーもしくはその組合せでよく、非球面ミラーや非球面レンズを用いてもよい。

反射光集光光学系３０は、被検査体９１にそれぞれ照射された分割レーザ光２の反射光である分割反射光３ａ、３ｂをそれぞれ集光する分割反射光集光手段３１ａ、３１ｂと、それぞれの反射光である分割反射光３ａ、３ｂを伝送する反射光伝送手段３２ａ、３２ｂと、それぞれの分割反射光３ａ、３ｂを１系統の伝送系に合流してひとつの合成反射光４とする分割反射光合流手段３３と、合成反射光４を伝送する反射光伝送手段３４とを有する。

分割反射光集光手段３１ａ、３１ｂは、照射点９６ａ、９６ｂにそれぞれ照射され反射した分割反射光３ａ、３ｂをそれぞれ集光する。反射光伝送手段３２ａ、３２ｂは、集光された分割反射光３ａ、３ｂを、分割反射光合流手段３３まで伝送する。

分割反射光合流手段３３は、レーザ光分割手段２１と同様に、分岐型ファイバや、ハーフミラーといった偏光を利用しないものでもよいし、偏光ビームスプリッタのように偏光を利用したものでもよい。

なお、それぞれのレーザ光伝送手段は、前述のように空間伝送でもファイバ伝送でもよいが、分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂから被検査体９１に照射される分割レーザ光２ａ、２ｂ、および被検査体９１で反射して分割反射光集光手段３１ａ、３１ｂまでに到達する分割反射光３ａ、３ｂは全て空間伝送である必要がある。

干渉計測手段４０は、合成反射光４の波長変化量から超音波信号９７を抽出する。分割レーザ光２ａ、２ｂの照射点９６ａ、９６ｂに照射された分割レーザ光２ａ、２ｂは、被検査体９１によって反射もしくは散乱される。分割レーザ光２ａ、２ｂの照射点９６ａ、９６ｂに超音波が到達してその表面が振動していた場合、振幅変調や位相変調、反射角度の変化などを受け、分割反射光３ａ、３ｂが超音波信号成分を含むレーザ光となる。超音波信号成分を含んだ合成反射光４を干渉計測すると、位相変調量が電圧信号の変化として出力され、これが超音波信号９７となる。

干渉計測手段４０としては、例えば、マイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー=ペロー干渉計およびフォトリフラクティブ干渉計などが挙げられ、もちろんこれ以外のレーザ光干渉計も考えられる。また干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。

信号処理手段５０は、超音波信号９７をデジタル化するＡＤ変換器５１と、評価時間窓定義手段５２と、照射点定義手段５３と、信号評価手段５４とを有する。

評価時間窓定義手段５２は、被検査体９１の形状および音速を用いて、被検査体９１における所望の測定範囲から分割レーザ光２が照射されている照射点９６ａ、９６ｂまでの超音波伝搬時間をそれぞれ算出し、評価時間窓６１ａ、６１ｂそれぞれの評価時間窓起点６２ａ、６２ｂと評価時間窓終点６３ａ、６３ｂをそれぞれ定める。

照射点定義手段５３は、複数の分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂによる被検査体９１における照射点９６ａ、９６ｂの位置を設定する。具体的には、照射点９６ａ、９６ｂについて、それぞれの評価時間窓起点６２ａ、６２ｂもしくは評価時間窓終点６３ａ、６３ｂが一致しないように逆算して、分割レーザ光照射点を定義する。

信号評価手段５４は、この評価時間窓６１ａ、６１ｂ内の超音波信号９７から、振幅、周波数もしくは位相情報の少なくとも１つ以上を抽出する。

表示手段６０は、超音波信号９７を可視的なグラフとして表示する。図１で示しているブロック図は一例であり、各々の機能を別個の機器に分割してもよいし、統合してもよい。

欠陥検査装置２００は、被検査体９１の欠陥を検査するために、超音波励起点９５にて超音波を励起させる超音波励起手段９４と、超音波受信装置１００とを有する。

図２は、第１の実施形態に係る超音波受信方法の手順を示すフロー図である。

まず、受信用のレーザ光を励起する（ステップＳ０１）。具体的には、レーザ光源１０を起動し、受信用のレーザ光であるレーザ光１を照射可能な状態にする。なお、この時点で、被検査体９１には、たとえば、超音波励起手段９４により超音波励起点９５から超音波が生じている状態であるものとする。

次に、照射点定義手段５３が、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂを定義する（ステップＳ０２）。なお、照射点９６は、２箇所に限定されず、３か所以上でもよい。

次に、レーザ光１を、分割レーザ光２ａ、２ｂに分割し、それぞれ、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂに照射する（ステップＳ０３）。すなわち、レーザ光１を、レーザ光分割手段２１が分割レーザ光２ａ、２ｂに分割し、分割レーザ光照射手段２３ａ、２３ｂがそれぞれ第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂに照射する。

次に、反射光を第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂで集光し合成反射光４に合成する（ステップＳ０４）。すなわち、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂのそれぞれにおいて、分割反射光集光手段３１ａ、３１ｂが反射光すなわち分割反射光３ａ、３ｂを集光し、集光された分割反射光３ａ、３ｂを分割反射光合流手段３３が合成反射光４に合成する（ステップＳ０４）。

次に、合成反射光４を干渉計測し経時的に出力する（ステップＳ０５）。すなわち、干渉計測手段４０は、合成反射光４を干渉計測して超音波信号９７として信号処理手段５０に出力し、表示手段６０が、超音波信号９７を経時的に表示する。

また、評価時間窓定義手段５２が、評価時間窓を設定する（ステップＳ０６）。すなわち、評価時間窓定義手段５２は、評価対象時間領域の起点となる時間である評価時間窓起点６２ａ、６２ｂおよび終点となる時間である評価時間窓終点６３ａ、６３ｂのそれぞれにより定まる評価時間窓６１ａ、６１ｂを設定する。評価時間窓定義手段５２は、評価点定義手段５３においてまず評価された超音波励起手段９４から照射点９６ａ、９６ｂまでの伝搬時間に基づいて、超音波励起手段９４から発せられる超音波に対応する超音波信号９７が発生する時間幅を想定する。具体的には、評価時間窓定義手段５２は、超音波信号９７が発生する時間幅に、例えば超音波信号９７の２周期分などの余裕をもって評価時間窓起点６２ａ、６２ｂおよび評価時間窓終点６３ａ、６３ｂなどを設定する。この結果、基本的には、この評価時間窓起点６２ａ、６２ｂおよび評価時間窓終点６３ａ、６３ｂによりそれぞれ定まる評価時間窓６１ａ、６１ｂが、超音波信号９７の発生時間幅をカバーすることができる。

なお、ステップＳ０６は、次のステップＳ０７より前である必要はあるが、ステップＳ０２ないしステップＳ０５との前後を問わない。

次に、評価時間窓内の超音波信号を選択し評価する（ステップＳ０７）。すなわち、信号評価手段５４は、評価時間窓６１ａ、６１ｂ内の超音波信号９７から、振幅、周波数もしくは位相情報の少なくとも１つ以上を抽出し、超音波信号９７に基づいて、欠陥９８に関する情報等の被検査体９１に関する情報を確保する。

次に、超音波信号９７の評価が可能か否かを判定する（ステップＳ０８）。すなわち、信号評価手段５４は、超音波信号９７に基づいて、欠陥９８（図３０）に関する情報等の被検査体９１に関する情報を確保しようとするが、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂの位置が不適切で、超音波信号９７において信号の弁別ができない場合等がある。このような場合は、信号評価手段５４は、超音波信号９７の評価は可能ではないと判定する。

ステップＳ０８において、超音波信号９７の評価は可能ではないと判定された場合（ステップＳ０８ ＮＯ）には、ステップＳ０２ないしステップＳ０８を繰り返す。ステップＳ０８において、超音波信号９７の評価は可能であると判定された場合（ステップＳ０８ ＹＥＳ）には、超音波受信装置１００による超音波の受信は終了する。

図３は、第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段に分岐型ファイバを用いた場合の体系を、また、図４は、分割反射光合流手段に分岐型ファイバを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。

分岐型ファイバは、たとえば複数本のコアで構成されたバンドルファイバ等が代表的であり、その分配数によって強度を調整できる。レーザ光伝送手段１１におけるファイバは、レーザ光分割手段２１においてレーザ光伝送手段２２ａ、２２ｂにおけるそれぞれのファイバに分割される。

この結果、レーザ光源１０から発せられたレーザ光１は、レーザ光伝送手段１１で伝送された後、レーザ光分割手段２１において分割されるレーザ光伝送手段２２ａ、２２ｂにおけるそれぞれのファイバに分かれて伝送される。

レーザ光伝送手段２２ａで伝送された分割レーザ光２ａは、分割レーザ光照射手段２３ａによって、被検査体９１に照射される。同様に、レーザ光伝送手段２２ｂで伝送された分割レーザ光２ｂは、分割レーザ光照射手段２３ｂによって、被検査体９１に照射される。

分割レーザ光照射手段２３ａによって被検査体９１に照射され反射した分割反射光３ａは、分割反射光集光手段３１ａにより集光され、反射光伝送手段３２ａにより伝送され、分割反射光合流手段３３に到達する。同様に、分割レーザ光照射手段２３ｂによって被検査体９１に照射され反射した分割反射光３ｂは、分割反射光集光手段３１ｂにより集光され、反射光伝送手段３２ｂにより伝送され、分割反射光合流手段３３に到達する。

反射光伝送手段３２ａおよび反射光伝送手段３２ｂによりそれぞれ伝送された分割反射光３ａ、３ｂは、分割反射光合流手段３３で合流し、合成反射光４として反射光伝送手段３４により伝送され、干渉計測手段４０に至る。

図５は、第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割手段にハーフミラーを用いた場合の体系を、また、図６は、分割反射光合流手段にハーフミラーを用いた場合の体系を概念的に示す断面図である。

ハーフミラーを用いた場合、理想的な条件で議論すると、図５に示す体系において、もともと１００％の出力をもつレーザ光１は、レーザ光分割手段２１により分割されて例えば５０％ずつの出力をもつ分割レーザ光２ａ、２ｂとなる。すなわち、たとえば、レーザ光分割手段２１のハーフミラー２１ａの透過率が５０％の場合、ハーフミラー２１ａに到達したレーザ光１は、５０％が透過して、分割レーザ光２ａとして分割レーザ光照射手段２３ａに到達する。また、ハーフミラー２１ａに到達したレーザ光１の残りの５０％は、反射して、分割レーザ光２ｂとしてミラー２１ｂに到達し全量が反射して、分割レーザ光照射手段２３ｂに到達する。なお、ハーフミラー２１ａは、透過率と反射率がそれぞれ５０％ずつとは限らず、たとえば、それぞれ４０％と６０％ずつなどのように一方の割合が多い場合でもよい。

被検査体９１の反射率が１００％の場合、それぞれ全量が反射される。それぞれで、反射された５０％出力の分割反射光３ａ、３ｂは、それぞれ、分割反射光集光手段３１ａ、３１ｂで集光され、分割反射光合流手段３３により合流し、図６に示す体系を経て、干渉計測手段４０に到達する。

具体的には、分割レーザ光照射手段２３ａにより照射され反射して分割反射光集光手段３１ａに集光された分割反射光３ａは、分割反射光合流手段３３のハーフミラー３３ａに到達し、その５０％、すなわち元のレーザ光１の２５％の強度の分割反射光３ａが透過して反射光伝送手段３４により干渉計測手段４０に伝送される。また、他方の分割レーザ光照射手段２３ｂにより照射され反射して分割反射光集光手段３１ｂに集光された分割反射光３ｂは、分割反射光合流手段３３のミラー３３ｂに到達して全量が反射された後にハーフミラー３３ａに到達する。ハーフミラー３３ａではその５０％、すなわち元のレーザ光１の２５％の強度の分割反射光３ｂが反射して反射光伝送手段３４により干渉計測手段４０に伝送される。

以上のように、合流後の合成反射光４は、元のレーザ光１に対して、最大でも５０％の強度で干渉計測手段４０に到達する。

図７は、レーザ光分割手段に偏光ビームスプリッタを用いた場合、また、図８は、分割反射光合流手段に偏光ビームスプリッタを用いた場合の体系を、それぞれ概念的に示す断面図である。

いま、光学系への入射面に対して、偏光方向が互いに垂直な成分を、それぞれ、Ｐ波およびＳ波とする。もともとレーザ光源１０から発せられたレーザ光１は、それらの成分が混合している。図７に示すように、レーザ光分割光学系２０に偏光ビームスプリッタを用いる場合、それぞれの成分にレーザ光１を分岐させることができる。たとえば、図７に示すように、Ｐ波を透過してＳ波を反射する偏光ビームスプリッタを用いる。あるいはＳ波を透過してＰ波を反射する偏光ビームスプリッタを用いてもよい。

まず、Ｐ波とＳ波とが混合したレーザ光１が、レーザ光分割手段２１の偏光ビームスプリッタ２１ｃに到達する。ここで、この偏光ビームスプリッタ２１ｃは、Ｐ波を透過しＳ波を反射するものである。

偏光ビームスプリッタ２１ｃを全量透過したＰ波は、レーザ光伝送手段２２ａにより単独のＰ波成分の分割レーザ光２ａとして伝送され、分割レーザ光照射手段２３ａに到達し、被検査体９１の第１の照射点９６ａに照射される。また、偏光ビームスプリッタ２１ｃで反射した単独のＳ波成分は、分割レーザ光２ｂとして、ミラー２１ｂで全量が反射され、レーザ光伝送手段２２ｂにより伝送され、分割レーザ光照射手段２３ｂに到達し、被検査体９１の第２の照射点９６ｂに照射される。

第１の照射点９６ａへの照射によるＰ波成分単独の分割反射光３ａは、分割反射光集光手段３１ａにより集光された後、反射光伝送手段３２ａで単独のＰ波成分として伝送され、分割反射光合流手段３３の偏光ビームスプリッタ３３ｃに到達する。偏光ビームスプリッタ３３ｃに到達したＰ波成分単独の分割反射光３ａは全量が透過し、反射光伝送手段３４により干渉計測手段４０に送られる。

他方の分割反射光集光手段３１ｂにより集光されたＳ波成分単独の分割反射光３ｂは、分割反射光合流手段３３の中のミラー３３ｂに送られ全量が反射し、さらに偏光ビームスプリッタ３３ｃでも全量が反射して、反射光伝送手段３４により干渉計測手段４０に送られる。

このように、分割反射光合流手段３３を通すことでＳ波とＰ波の混合された合成反射光４として干渉計測手段４０に伝送される。

この際、反射レーザ光の偏光方向をそろえたい場合は、例えばＰ波かＳ波単体の通り道にλ／２波長板を１枚、もしくはλ／４波長板を２枚挿入して偏光方向を９０度回転させるとともに、反射分割レーザ光をハーフミラーとすることにより、たとえばＳ波だけに位相を揃えた反射光を得ることもできる。

なお、以上の構成において、往路で偏光ビームスプリッタを用い、復路ではファイバ分岐を用いる等、異なる形式を組合せて構成してもよい。

図９は、第１の実施形態に係る超音波受信装置のレーザ光分割光学系と反射光集光光学系とで一部を共用する場合の体系を概念的に示す断面図である。図９に示す構成において、レーザ光分割手段２１の偏光ビームスプリッタ２１ｃは、Ｐ波透過、Ｓ波反射の特性を有する。レーザ光分割光学系２０のレーザ光伝送手段２２ａの途中に設けられた偏光ビームスプリッタ２１ｄも、Ｐ波透過、Ｓ波反射の特性を有する。また、レーザ光分割光学系２０のレーザ光伝送手段２２ｂの途中に設けられた偏光ビームスプリッタ２１ｅは、Ｐ波反射、Ｓ波透過の特性を有する。さらに、分割反射光合流手段３３に設けられた偏光ビームスプリッタ３３ｃは、Ｐ波透過、Ｓ波反射の特性を有する。

レーザ光源１０から発せられレーザ光分割手段２１の偏光ビームスプリッタ２１ｃに到達したレーザ光１のうちＰ波成分は、偏光ビームスプリッタ２１ｃを透過し、Ｓ波成分は全量が反射し、ミラー２１ｂでさらに反射する。

偏光ビームスプリッタ２１ｃを透過したＰ波成分単独の分割レーザ光２ａは、さらに、レーザ光伝送手段２２ａの経路上に設けられた偏光ビームスプリッタ２１ｄを全量が透過し、λ／４波長板２１ｆに到達する。Ｐ波成分単独の分割レーザ光２ａは、λ／４波長板２１ｆを通過すると、偏光は９０度回転し、Ｐ波成分とＳ波成分が混合した円偏光の状態にある分割レーザ光２ａとなり、分割レーザ光照射手段２３ａにより被検査体９１に照射される。

一方、偏光ビームスプリッタ２１ｃで反射しミラー２１ｂでさらに反射したＳ波成分単独の分割レーザ光２ｂは、さらに、レーザ光伝送手段２２ｂの経路上に設けられた偏光ビームスプリッタ２１ｅを全量透過し、λ／４波長板２１ｇに到達する。Ｓ波成分単独の分割レーザ光２ｂは、λ／４波長板２１ｇを通過すると、偏光は９０度回転し、Ｐ波成分とＳ波成分が混合した円偏光の状態にある分割レーザ光２ｂとなり、分割レーザ光照射手段２３ｂにより被検査体９１に照射される。

被検査体９１に照射された一方の円偏光の分割レーザ光２ａは、被検査体９１で反射し、分割反射光３ａとして分割反射光集光手段３１ａにより集光される。ここで、分割レーザ光照射手段２３ａと分割反射光集光手段３１ａとは、同じものを兼用してもよい。この分割反射光３ａは、反射光伝送手段３２ａにも兼用されるλ／４波長板２１ｆにおいて９０度回転しＳ波成分単独の分割反射光３ａとなる。

Ｓ波成分単独となった分割反射光３ａは、偏光ビームスプリッタ２１ｄで全量反射し、分割反射光合流手段３３の偏光ビームスプリッタ３３ｃに到達する。Ｓ波成分単独の分割反射光３ａは、偏光ビームスプリッタ３３ｃで全量反射し、反射光伝送手段３４により干渉計測手段４０に伝送される。

一方、被検査体９１に照射された他方の円偏光の分割レーザ光２ｂは、被検査体９１で反射し、分割反射光３ｂとして分割反射光集光手段３１ｂにより集光される。ここで、分割レーザ光照射手段２３ｂと分割反射光集光手段３１ｂとは、同じものを兼用してもよい。この分割反射光３ｂは、反射光伝送手段３２ｂにも兼用されるλ／４波長板２１ｇにおいて９０度回転し、Ｐ波成分単独の分割反射光３ｂとなる。Ｐ波成分単独となった分割反射光３ｂは、偏光ビームスプリッタ２１ｅで全量反射し、分割反射光合流手段３３のミラー３３ｂに到達する。Ｐ波成分単独の分割レーザ光３ｂは、ミラー３３ｂで全量反射した後、偏光ビームスプリッタ３３ｃに到達する。Ｐ波成分単独の分割反射光３ｂは、偏光ビームスプリッタ３３ｃを透過し、反射光伝送手段３４により干渉計測手段４０に伝送される。

なお、分割反射光合流手段３３では、前述のように、偏光ビームススプリッタを用いない手段と組合せてもよい。

図１０は、超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。また、図１１は、図１０に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。

図１０に示すように、超音波励起手段９４により被検査体９１の超音波励起点９５から超音波が発せられる。この体系において被検査体９１における第１の照射点９６ａに分割レーザ光２ａが照射される場合を示している。図１０に示す干渉計測手段４０により得られた超音波信号９７は、図１１のように表示される。

図１１では、超音波信号９７ａに評価時間窓６１が合わせられている。具体的には、時間軸方向に評価時間窓起点６２、評価時間窓終点６３で挟んだ時間領域である測定範囲６４内に、超音波励起点９５から発せられる超音波に対応して検出された超音波信号９７ａが示されている。

図１２は、超音波受信装置の別の検出位置を示す断面図である。また、図１３は、図１２に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。

図１２に示すように、超音波励起手段９４により被検査体９１の超音波励起点９５から超音波が発せられる。この体系において被検査体９１における第２の照射点９６ｂにレーザ光が照射される場合を示している。図１２に示す干渉計測手段４０により得られた超音波信号９７の受信波の部分である超音波信号９７は、図１３のように表示される。

図１３では、超音波信号９７ｂに評価時間窓６１が合わせられている。具体的には、時間軸方向に評価時間窓起点６２、評価時間窓終点６３で挟んだ時間領域である測定範囲６４内に、超音波励起点９５から発せられる超音波に対応して検出された超音波信号９７ｂが示されている。

図１１および図１３に示すように、分割レーザ光２ａ、２ｂそれぞれの照射点である第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂと超音波励起点９５の相対位置や、伝搬してくる超音波が表面波であるか体積波であるか等のモードの違いによって、得られる波形のピークの強度や時間位置が異なる。

図１４は、超音波受信装置の検出位置を示す断面図であり、検出位置が２つの場合を示す。すなわち、分割レーザ光２ａ、２ｂがそれぞれ、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂに照射された場合である。また、図１５は、図１４に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。超音波励起点９５から第１の照射点９６ａへの超音波信号９７ａと、超音波励起点９５から第２の照射点９６ｂへの超音波信号９７ｂが示されている。図１５では、１点目の受信波形である超音波信号９７ａに評価時間窓６１が合わせられている。

ここで、超音波信号９７ａと超音波信号９７ｂとは、明確に伝搬してくる時間が異なる。このように、明確に時間が異なって伝搬してくる超音波信号９７ａと超音波信号９７ｂの２つの波は、図１５に示すように１つの波形にまとめられても判別が可能である。すなわち、ここでは、超音波励起点９５から分割レーザ光２ａ、２ｂの第１の照射点９６ａと第２の照射点９６ｂのそれぞれまでの距離が異なるため、時間差が生じてそれぞれ計測される。

信号処理手段５０の評価時間窓定義手段５２は、評価時間窓起点６２と評価時間窓終点６３により評価時間窓６１を定義する。信号処理手段５０の信号評価手段５４は、その範囲内で、超音波信号９７から、振幅、周波数もしくは位相情報の少なくとも１つ以上を抽出する機能を有する。

ここで、振幅とは最大ピークをもつ波の最大値と最小値との幅だけでなく、複数の波がある場合はそれぞれの最大値と最小値との幅を抽出してもよい。また、ピークだけでなくバックグラウンドとなるノイズの振幅情報（最大、最小、ＲＭＳ値等）を取得することもできる。周波数情報は、高速フーリエ変換等の代表的な解析方法だけでなくウェーブレット解析の機能を有してもよいし、周波数解析範囲をさらに限定するために評価時間窓の中に更に細かい解析用時間窓を設けてもよい。

位相情報は、所望の波形の最大、最小ピーク時間位置やゼロクロス点、半値幅等があり、その他の情報でもよい。また、信号評価手段５４は上記情報の評価を簡便化するために周波数フィルタや加算平均といった信号制御機能を備えたり、使用者が容易に利用できるようにＰＣモニタ等の表示手段、マウスやキーボード、タッチパネルといった入力手段と組合せたりしてもよい。

前述のように、被検査体９１における超音波励起点９５と、分割レーザ光２ａ、２ｂそれぞれの第１の照射点９６ａ、第２の照射点９６ｂとの相対距離によって、分割レーザ光２ａの第１の照射点９６ａと、分割レーザ光２ｂの第２の照射点９６ｂとで、超音波の到達する時間は異なる。

被検査体９１における音速および形状の一部に関する情報が得られていれば、演繹的に、分割レーザ光２ａ、２ｂそれぞれの第１の照射点９６ａと第２の照射点９６ｂに超音波信号９７ａが到達する時間が得られる。このため評価時間窓定義手段５２では、その時間を目安にそれぞれの分割レーザ光の照射点に合わせた評価時間窓６１を設定することが可能となる。

図１６は、超音波受信装置による評価時間窓と超音波の伝搬経路との関係を説明するための断面図である。また、図１７は、図１６に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。

被検査体９１のある領域を測定領域９１ａと定義し、その測定領域９１ａの中から最速で応答が得られる伝搬時間からある余裕分早い時間を評価時間窓６１の評価時間窓起点６２と定義し、最も応答に時間がかかる領域からの伝搬時間からある余裕分遅い時間を評価時間窓６１の評価時間窓終点６３と定義してもよい。すなわち、測定範囲６４が広くなる方向に評価時間窓起点６２および評価時間窓終点６３を定義する。それぞれの余裕分は、経験値等に基づき設定する。

図１８は、第１の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。また、図１９は、図１８に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。

図１８に示すように、超音波励起手段９４により超音波が励起される超音波励起点９５から第１の照射点９６ａと第２の照射点９６ｂのそれぞれとの距離が、ほぼ等しい。この結果、第１の照射点９６ａからの超音波信号９７ａについての評価時間窓６１ａと、第２の照射点９６ｂからの超音波信号９７ｂについての評価時間窓６１ｂとの間で、それぞれの評価時間窓起点６２ａと評価時間窓起点６２ｂとが、あるいはそれぞれの評価時間窓終点６３ａと評価時間窓終点６３ｂとがほとんど一致してしまう。

このように、評価時間窓６１ａ、６１ｂそれぞれの評価時間窓起点６２ａ、６２ｂもしくは評価時間窓終点６３ａ、６３ｂがそれぞれの分割レーザ光の照射点ごとに一致してしまう場合に、照射点定義手段５３は、超音波励起点９５から第１の照射点９６ａ、第２の照射点９６ｂまでの伝搬時間を逆算し、評価時間窓起点６２ａ、６２ｂもしくは評価時間窓終点６３ａ、６３ｂが重畳しないような分割レーザ光２ｂの照射点９６ｂを定義する機能を有する。

図２０は、第１の実施形態に係る超音波受信装置の検出位置を示す断面図である。

図２１は、図２０に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。図２１では、超音波信号９７ａの到達する時間と、超音波信号９７ｂの到達する時間が異なっており、評価時間窓６１ａと評価時間窓６１ｂとが重畳しない時間関係となっている。照射点定義手段５３は、このような状態にするために、第２の照射点９６ｂの位置をどれくらい変更すればよいかを演算する。演算した結果は、表示手段６０に表示される。

以下に、本実施形による超音波受信装置１００の２つの利用例を示す。

図２２は、第１の実施形態に係る超音波受信装置により異なる検出目的の計測を並行して行う第１の例を示す断面図である。

第１の照射点９６ａは、超音波励起点９５と、被検査体９１を挟んで反対側にある。この結果、第１の照射点９６ａで測定される超音波は、超音波励起点９５から被検査体９１の内部を透過してきたものであるから、伝搬速度を把握することにより、被検査体９１の板厚を計測する状態である。

一方、第２の照射点９６ｂで測定される超音波は、超音波励起点９５から被検査体９１の表面を伝搬してきたものである。この結果、表面に生じている欠陥９８を同時に探傷する状態である。

このように、透過配置で板厚計測を行う一方で、同時に探傷を行うことができる。

図２３は、第１の実施形態に係る超音波受信装置により異なる検出目的の計測を並行して行う第２の例を示す斜視図である。２つの圧延製鋼ラインで異なる板厚の鋼材が流れている状態においての計測である。

一方の圧延製鋼ライン上を流れる第１の被検査体９１ｇである鋼材に、分割レーザ光２ａの照射点である第１の照射点９６ａがある。また、他方の延製鋼ライン上を流れる第２の被検査体９１ｈである鋼材に、分割レーザ光２ｂの照射点である第２の照射点９６ｂがある。

それぞれで反射した分割反射光３ａ、３ｂは、干渉計測手段４０に到達し、それぞれについての超音波信号９７ａ、９７ｂが取得され評価される。この結果、第１の被検査体９１ｇおよび第２の被検査体９１ｈのそれぞれについての板厚計測が同時に実施でき、少ないリソースによって、品質の向上、測定の効率化が期待できる。

通常、ひとつの波形に複数測定点の情報が混在するのは忌避すべき現象だが、本実施形態では、上述のように、評価時間窓６１と分割レーザ光２ａ、２ｂそれぞれの照射点９６ａ、９６ｂの座標とを連携して管理することにより、ひとつの波形の中にある複数測定点の情報を個別に抽出することができる。これにより、光源や干渉計、またＡＤ変換器のチャンネル等重要な信号収録系統等を増設することなく、複数点の測定が可能となる。

［第２の実施形態］
図２４は、第２の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態に係る超音波受信装置１００は、照射点位置調整手段をさらに有する。照射点位置調整手段は、第１の照射点９６ａおよび／または第２の照射点９６ｂのそれぞれの位置、あるいは相対的な位置を調節する。照射点位置調整手段の具体的な例としては、図２４に示すような走査手段７１である。走査手段７１は、第２の照射点９６ｂを走査するように、分割レーザ光照射手段２３ｂおよび分割反射光集光手段３１ｂを、所定の方向および所定の距離に移動駆動する。なお、走査手段７１は、第１の照射点９６ａも、あるいは全ての照射点を走査することでもよい。また、超音波励起点９５を走査するために超音波励起手段９４を移動駆動してもよい。

走査手段７１は、パルスやサーボモータ駆動の一般的に自動ステージと呼ばれるものでよく自動制御で移動が可能なものであれば何を用いてもよい。走査手段７１は、走査するだけでなく走査位置情報をフィードバックする機能を有してもよい。

評価時間窓定義手段５２は、走査手段７１による移動駆動により変化する分割レーザ光２ｂの照射点９６ｂの座標に基づいて、逐次超音波伝搬時間を計算し、これらの走査位置に追従して、評価時間窓６１の評価時間窓起点６２と評価時間窓終点６３をそれぞれ定める機能をさらに有する。

図２５は、超音波受信装置の検出位置の例を示す断面図である。また、図２６は、図２１に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。

図２５は、走査手段７１によって、例えば分割レーザ光２ｂの照射点である第２の照射点９６ｂを９６ｂ１、９６ｂ２、および９６ｂ３のように移動させ、走査する場合を示している。１点目の超音波信号９７ａと２点目の超音波信号９７ｂ１の場合は、互いに分かち難いほどにそれぞれの発生時間が接近している。走査手段７１によって、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂのそれぞれへの超音波伝搬時間を変化させることにより、２点目の超音波信号９７ｂ２あるいは９７ｂ３のように、１点目の超音波信号９７ａとの間で、互いに弁別可能となる。

図２７は、超音波受信装置の検出位置の他の例を示す断面図である。また、図２８は、図２１に示す検出位置の場合の超音波信号の時間的変化を示すグラフである。

図２７は、例えば表面波と縦波等、異なるモードの超音波をそれぞれの照射点９６で測定する体系である場合を示す。ここで、第１の照射点９６ａの位置が、９６ａ１から９６ａ２に変化すると、超音波伝搬時間は、超音波のモードごとに音速が異なるため、図２８に示すような結果となる。

体積波（縦波）は、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ１のときはＶＬ１で示す経路であったものが、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ２のときはＶＬ２で示す経路となる。すなわち、径路ＶＬ２と径路ＶＬ１の差だけ伝搬距離が増加する。

一方、表面波（横波）は、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ１のときはＳＬ１で示す経路であったものが、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ２のときはＳＬ２で示す経路となる。すなわち、径路ＳＬ２と径路ＳＬ１の差だけ伝搬距離が増加する。

図２８において、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ１のときの体積波に起因する超音波９７Ｖ１と、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ２のときの体積波に起因する超音波９７Ｖ２との発生時刻の差をΔＴＶとする。また、第１の照射点９６ａの位置が９６ａ１のときの表面波に起因する超音波９７Ｓ１と第１の照射点９６ａの位置が９６ａ２のときの表面波に起因する超音波９７Ｓ２との発生時刻の差をΔＴＳとする。

体積波（縦波）は、表面波（横波）に比べて、伝搬速度すなわち音速が大きい。この結果、第１の照射点９６ａの位置の変化によるそれぞれの伝搬距離の増加に対して、超音波の伝搬時間の変化は、体積波（縦波）の場合のΔＴＶより表面波（横波）の場合のΔＴＳの方が大きくなる。すなわち、体積波に起因する超音波９７Ｖ１および９７Ｖ２と、表面波に起因する超音波９７Ｓ１および９７Ｓ２との弁別が可能である。

このように走査手段を用いることで複数のピークをもつ超音波信号から目当ての信号を抽出することが容易となる。

［第３の実施形態］
図２９は、第３の実施形態に係る構造体の製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態は、第１の実施形態および第２の実施形態のいずれかもしくはその組合せを、構造体を被検査体として用いる場合の例である。特に本実施形態においては、構造体を、２つの部材を接合してなる接合部材とした場合を例として以下説明する。なお、構造体については、接合部材に限られるものではなく、第１の実施形態および第２の実施形態の超音波受信装置および超音波受信方法を用いて内部の欠陥検査を行なうことができる種々の物体とすることができる。

まず、構造体を構成することとなる第１部材９９ａ（図３０）と第２部材（図３０）９９ｂとを準備し、それぞれに開先を形成し、開先合わせを行う（ステップＳ１１）。次に所定の層数の溶接を実施する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２にて第１部材９９ａと第２部材９９ｂの開先の間に所定の層数の溶接を実施することで、第１部材９９ａ、第２部材９９ｂおよび接合部９２としての溶接部が接合部材（構造体）となる（準備ステップ）。この準備ステップの後、溶接過程での欠陥検査を実施する（ステップＳ１３：検査ステップ）。なお、溶接過程での検査では、後述するように、欠陥９８の検出と並行して、接合部の厚みの情報も取得することができる。

ここで、所定の層数は、１層でも複数層でもよい。所定の層数が少ないと、溶接検査の回数が増加する。また、所定の回数が多いと、欠陥９８（図３０）が確認されたときの補修規模が増大する。したがって、両者を勘案して所定の層数を決めればよい。また、所定の層数は、順次、変化させてもよい。

ステップＳ１３の欠陥検査の結果、欠陥９８が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１４）。欠陥９８が検出されたと判定された場合（ステップＳ１４ ＹＥＳ）は、欠陥９８を含めてのハツリと、溶接の再施行を実施する（ステップＳ１５）。

欠陥９８が検出されなかったと判定された場合（ステップＳ１４ ＮＯ）には、全層について終了したか否かを判定する（ステップＳ１６）。全層終了していないと判定された場合（ステップＳ１６ ＮＯ）には、ステップＳ１２ないしステップＳ１６を繰り返す。全層終了したと判定された場合（ステップＳ１６ ＹＥＳ）には、仕上がり状態での欠陥検査を実施する（ステップＳ１７）。この段階では、接合部材９９（図３４）が被検査体９１（図３４）である。なお、図示していないが、この検査で最終層あるいは表面に欠陥があれば、補修を実施する。

図３０は、第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波受信装置による分割レーザ光の照射点を同一母材部の異なる位置に設定した場合の状態を示す断面図である。

接合部材９９（図３４）は、第１部材９９ａの母材部９３ａ、第２部材９９ｂの母材部９３ｂと、接合部９２によって構成される。母材部９３ａ、９３ｂの材質は、音が伝搬し、接合可能な材料であれば、本実施形態の適用上、制限はない。例えば炭素鋼やステンレス鋼と言った鉄鋼材料および非鉄金属材料、セラミックス材料、樹脂や生体といった高分子材料のほか、ＧＦＲＰのような複合繊維強化材料等でもよく、あるいはそれらの組合せ材料でもよい。

接合部９２は、母材部９３ａ、９３ｂどうしの融合もしくは溶材などによって成る。接合手法は、一般的な溶接だけでなく摩擦撹拌接合やろう付といった、母材部９３ａ、９３ｂどうし、もしくは溶材と母材部９３ａ、９３ｂそれぞれとの間が密着する手法であればよい。本実施形態では、接合部材９９の製造を、厚板の突合せ溶接により行う場合を代表例として説明する。以下の接合部材９９の製造過程においては、接合過程にあるものが被検査体９１である。

図３０に示す場合は、第１の照射点９６ａを第２部材９９ｂの開先面に、また、第２の照射点９６ｂを同じ第２部材９９ｂの表面に設定している。また、超音波励起点９５を、接合部９２の最終層の表面としている。

超音波励起点９５から発せられた超音波は、接合部９２の内部を通過した後に、一部は、接合部９２内の超音波励起点９５の反対側の端部、すなわち裏波の表面で反射し、第２部材９９ｂの母材部９３ｂ内を体積波として伝搬する。また、他の一部は、第２部材９９ｂの開先面を表面波として伝搬する。

第１の照射点９６ａに至る超音波は、主として開先面を伝搬してくる表面波である。また、第２の照射点９６ｂに至る超音波は、主として母材部９３ｂ内を伝搬してくる体積波である。いずれの波も、接合部９２に欠陥９８が存在する場合は、その影響を受けるため、第１の照射点９６ａおよび第２の照射点９６ｂそれぞれからの分割反射光３ａ、３ｂから、欠陥９８に関する情報を含んだ超音波を取得することができる。

図３１は、第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、表面検査と体積検査を同時に行った場合の超音波の時間変化の例を示すグラフである。すなわち、図３０の体系での測定結果の一例である。

超音波信号９７ｂは、第２の照射点９６ｂに直接到達する体積波に対応する。実線で表される超音波信号９７ｂは、音速の高い体積波であり、裏波深さのエコーを示す。すなわち、接合部の溶接の厚さに対応する信号となる。また、超音波信号９７ａ１は、第１の照射点９６ａに直接到達する表面波に対応する。音速の低い表面波は、体積波より遅れて受信される。また、超音波信号９７ａ２は、欠陥９８に由来し体積波から表面波に変換したモード変換波に対応する。

図３２は、第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、欠陥由来のモード変換波の伝搬を説明する概念的な断面図である。

超音波励起手段９４により超音波励起点９５において発生した超音波の一部は、接合部９２内を伝搬し、その端部（裏波部）で反射し、母材部９３内を体積波として伝搬し、照射点９６に至る。体積波の速度が表面波の速度に比べて大きいため、この超音波に対応する超音波信号９７が、最も早く検出される。

また、超音波励起手段９４により超音波励起点９５において発生した超音波の一部は、そのまま、表面波として開先面に沿って伝搬し照射点９６に至る。一方、超音波励起点９５において発生した超音波の一部は、接合部９２内を体積波として伝搬し欠陥９８で反射する。この反射超音波は体積波として接合部９２内を伝搬し、接合部９２あるいは開先面に到達した後に、表面波に変わり、開先面を伝搬し照射点９６に至る。この結果、図３１に示すように、欠陥９８に由来するこのモード変換波に対応する超音波信号９７ａ２は、第１の照射点９６ａに直接到達する表面波に対応する超音波信号９７ａ１より遅れて検出される。

図３２のような原理で励起された欠陥由来のモード変換波に対応する超音波信号９７ａ２が、直接に励起された表面波に対応する超音波信号９７ａ１より少し遅れて観察されることにより、両者の区別が可能となり、板厚計測と欠陥計測が同時に行えるようになる。

このように、分割レーザ光２ａの１つ目の照射点９６ａを母材部９３の表面に設置することで裏波の溶け込み深さをモニタリングしながら、２つ目の照射点９６ｂを開先面に設置することによって、開先面を伝わってくるビード直下に生じた欠陥９８からのエコーも受信が可能となる。

図３３は、第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、超音波受信装置による分割レーザ光の照射点を異なる部材にまたがって設定した場合の状態を示す断面図である。

図３３に示す場合は、第１の照射点９６ａを第１部材９９ａの開先面に、また、第２の照射点９６ｂを第２部材９９ｂの開先面に設定している。また、超音波励起点９５を、接合部９２の最終層の表面としている。

超音波励起点９５から発せられた超音波は、接合部９２の内部を通過した後に、一部は、第１部材９９ａの開先面を表面波として伝搬し、第１の照射点９６ａに至る。また、他の一部は、第２部材９９ｂの開先面を表面波として伝搬し、第２の照射点９６ｂに至る。

このように、異なる部材にまたがって照射することで、例えば２パス以上の幅広な接合部において、第１部材９９ａの母材部９３ａあるいは第２部材９９ｂの母材部９３ｂの位置に発生した欠陥９８も見逃さずに検出することが可能となる。

分割レーザ光２ａ、２ｂそれぞれの照射点９６である第１の照射点９６ａ、第２の照射点９６ｂを、例えば図３０に示すように同一部材の異なる位置に設定してもよいし、図３３に示すように異なる部材にまたがって設定してもよい。

接合には欠陥９８が発生するリスクが必ずあり、本実施形態によりそれらを効率的に検出することが可能となる。例えば図３０や図３３に示すような突合せ溶接では、溶接途中に欠陥を検出できれば、溶接完了後に欠陥を見つけた場合よりも、補修にかかる時間を大幅に低減することができる。

図３４は、第３の実施形態に係る構造体の製造方法において、溶接の終了後に、表面検査と体積検査を同時に行っている状態を示す断面図である。

図３４に示す場合は、第１の照射点９６ａを第１部材９９ａの表面に、また、第２の照射点９６ｂを第２部材９９ｂの表面に設定している。また、超音波励起点９５を、第１部材９９ａの表面に設定している。超音波励起点９５は、第１の照射点９６ａを挟んで、第２の照射点９６ｂの反対側に位置している。

超音波励起点９５から発された超音波は、第２の照射点９６ｂに至るまでに、接合部９２を経由してくる。このため、第２の照射点９６ｂには、接合部９２における欠陥９８ａに関する情報を含む体積波が到達する。

一方、超音波励起点９５から発された母材部９３ａの表面を伝搬する超音波は、直近の第１の照射点９６ａに到達する。また、母材部９３ａの表面を伝搬する超音波の一部は、表面欠陥９８ｂに到達した後反射され、第１の照射点９６ａに到達する。

図３５は、超音波の波形弁別を説明するための超音波の時間変化の例を示す第１のグラフであり、図３４に示す体系における検査結果の例を示すものである。

この場合は、超音波励起点９５から第１の照射点９６ａまでの距離が、超音波励起点９５から第２の照射点９６ｂまでの距離に比べて短い。したがって、第１の照射点９６ａに直接に到達する表面波に対応する超音波信号９７ａ１が、第２の照射点９６ｂに直接に到達する表面波に対応する超音波信号９７ｂに比べて先行している。また、欠陥９８からモード変換して到達する表面波に対応する超音波信号９７ａ２は、第１の照射点９６ａに直接に到達する表面波に対応する超音波信号９７ａ１に少し遅れて発生する。

図３５に示すように、同じ音速である表面波を用いる場合でも、超音波励起点９５からの相対位置を変えて照射点９６を設定することにより、それぞれの波形弁別が可能となり、元の第１部材９９ａおよび第２部材９９ｂそれぞれの開先面の近傍に発生した欠陥であっても検出することができる。

図３６は、超音波の波形弁別を説明するための超音波の時間変化の例を示す第２のグラフである。

前述の図３４に示す体系において、まず、超音波励起点９５において発生し第１の照射点９６ａに直接に到達する表面波に対応する超音波信号９７ａ１が検出される。次に、内在欠陥９８ａから散乱されて照射点９６ｂに到達する体積波に対応する超音波信号９７ｂ２が検出される。超音波信号９７ｂ２に遅れて、接合部の底面（裏波の表面）から反射して照射点９６ｂに到達する体積波に対応する超音波信号９７ｂ１が検出される。最後に、表面欠陥９８ｂから反射されてくる表面波に対応する超音波９７ａ２が検出される。

図３６には、以上のような時系列が表示されており、それぞれ全ての波が時間的に弁別可能となっている。

溶接完了後の表面に発生しやすいアンダカットや遅れ割れを、超音波励起点９５と同じ第１部材９９ａに配置した分割レーザ光２ａの第１の照射点９６ａで受信する表面波で検出する。また、超音波励起点９５と異なる第２部材９９ｂに配置した第２の照射点９６ｂで受信する体積波を用いて、溶接部すなわち接合部９２内のボイドや融合不良といった内在する欠陥９８を検出することが可能となる。

このように第１の照射点９６ａ、第２の照射点９６ｂ、および超音波励起点９５のそれぞれの位置を適切に設定することによって、表面検査と体積検査を同時に行うことが可能となる。

以上のような欠陥検査により製造された接合部材などの構造体は、大掛かりな検査装置を用いずに十分な品質を確保することができる。また、接合部材などの構造体の製造コストの増大の抑制も図ることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

また、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…レーザ光、２ａ、２ｂ…分割レーザ光、３ａ、３ｂ…分割反射光、４…合成反射光、１０…レーザ光源、１１…レーザ光伝送手段、２０…レーザ光分割光学系、２１…レーザ光分割手段、２１ａ…ハーフミラー、２１ｂ…ミラー、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ…偏光ビームスプリッタ、２１ｆ、２１ｇ…λ／４波長板、２２ａ、２２ｂ…レーザ光伝送手段、２３ａ、２３ｂ…分割レーザ光照射手段、３０…反射光集光光学系、３１ａ、３１ｂ…分割反射光集光手段、３２ａ、３２ｂ…反射光伝送手段、３３…分割反射光合流手段、３３ａ…ハーフミラー、３３ｂ…ミラー、３３ｃ…偏光ビームスプリッタ、３４…反射光伝送手段、４０…干渉計測手段、５０…信号処理手段、５１…ＡＤ変換器、５２…評価時間窓定義手段、５３…照射点定義手段、５４…信号評価手段、６０…表示手段、６１、６１ａ、６１ｂ…評価時間窓、６２、６２ａ、６２ｂ…評価時間窓起点、６３、６３ａ、６３ｂ…評価時間窓終点、６４…測定範囲、７１…走査手段（照射点位置調整手段）、８０…入力手段、９１…被検査体、９１ａ…測定領域、９１ｇ、９１ｈ…被検査体、９２…接合部、９３ａ、９３ｂ…母材部、９４…超音波励起手段、９５…超音波励起点、９６、９６ａ、９６ｂ…照射点、９７、９７ａ、９７ｂ、９７ｂ１，９７ｂ２、９７ｂ３…超音波信号、９８、９８ａ、９８ｂ…欠陥、９９…接合部材、９９ａ…第１部材、９９ｂ…第２部材、１００…超音波受信装置、２００…欠陥検査装置

Claims (10)

1. 被検査体に照射するレーザ光を励起するレーザ光源と、
   前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に照射可能に前記レーザ光を分割するレーザ光分割光学系と、
   前記第１の照射点と前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成し合成反射光として出力する反射光集光光学系と、
   前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力する干渉計測手段と、
   起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定可能に構成され、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価可能に構成された信号処理手段と、
   を備え、
   前記信号処理手段は、
   前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置を、前記被検査体のいずれも超音波励起点側の表面、前記超音波励起点側の表面と前記被検査体を挟んでその反対側、または、前記被検査体の前記超音波励起点側の表面と開先面、のいずれかの組み合わせに設定する照射点定義手段と、
   前記被検査体の形状並びに前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置に基づいて、前記被検査体における所望の測定範囲から前記第１の照射点および前記第２の照射点までの超音波伝搬時間をそれぞれ算出し、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をカバーするようにそれぞれの前記評価時間窓を定める評価時間窓定義手段と、
   を具備し、
   前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記評価時間窓が互いに重複しないように設定される、
   ことを特徴とする超音波受信装置。
2. 前記信号処理手段は、前記超音波信号から振幅、周波数および位相情報の少なくとも１つを抽出可能に構成されたことを特徴とする請求項１記載の超音波受信装置。
3. 前記評価時間窓起点および前記評価時間窓終点は、前記被検査体の前記形状、前記第１の照射点の位置、および前記第２の照射点の位置に基づいてそれぞれ設定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波受信装置。
4. 前記第１の照射点および前記第２の照射点の少なくともいずれかの位置を調整する照射点位置調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の超音波受信装置。
5. 前記照射点位置調整手段は、調整する前記第１の照射点および前記第２の照射点の少なくともいずれかの位置を走査することを特徴とする請求項４記載の超音波受信装置。
6. 被検査体に照射するレーザ光を励起するレーザ光源と、
   前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に照射可能に前記レーザ光を分割するレーザ光分割光学系と、
   前記第１の照射点と前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成し合成反射光として出力する反射光集光光学系と、
   前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力する干渉計測手段と、
   起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定可能に構成され、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価可能に構成された信号処理手段と、
   を備え、
   前記被検査体は、第１部材と、第２部材と、前記第１部材および前記第２部材を接合する接合部からなり、前記第１の照射点は前記第１部材にあり、前記第２の照射点は前記第２部材にあり、
   前記評価時間窓は、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をそれぞれカバーするように定められる、
   ことを特徴とする超音波受信装置。
7. 前記被検査体に超音波を励起させる超音波励起手段と、
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の超音波受信装置と、
   を備え、
   前記信号処理手段は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号を前記超音波信号として評価可能に構成されることを特徴とする欠陥検査装置。
8. レーザ光源が、被検査体に照射するレーザ光を励起し、
   レーザ光分割光学系が、前記レーザ光を前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に分割して照射し、
   反射光集光光学系が、前記第１の照射点および前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成反射光として合成し、
   干渉計測手段が、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力し、
   信号処理手段が、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定し、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価する、超音波受信方法であって、
   前記信号処理手段は、
   前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置を、前記被検査体のいずれも超音波励起点側の表面、前記超音波励起点側の表面と前記被検査体を挟んでその反対側、または、前記被検査体の前記超音波励起点側の表面と開先面、のいずれかの組み合わせに設定する照射点定義手段と、
   前記被検査体の形状並びに前記第１の照射点および前記第２の照射点の位置に基づいて、前記被検査体における所望の測定範囲から前記第１の照射点および前記第２の照射点までの超音波伝搬時間をそれぞれ算出し、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をカバーするようにそれぞれの前記評価時間窓を定める評価時間窓定義手段と、
   を具備し、
   前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記評価時間窓が互いに重複しないように設定される、
   ことを特徴とする超音波受信方法。
9. 被検査体に超音波を励起して超音波受信方法を実施する欠陥検査方法であって、
   当該欠陥検査方法は、
   レーザ光源が、前記被検査体に照射するレーザ光を励起し、
   レーザ光分割光学系が、前記レーザ光を前記被検査体の第１の照射点と第２の照射点に分割して照射し、
   反射光集光光学系が、前記第１の照射点および前記第２の照射点に照射された前記レーザ光の反射光をそれぞれ集光して合成反射光として合成し、
   干渉計測手段が、前記合成反射光を干渉計測して得られる信号を超音波信号として経時的に出力し、
   信号処理手段が、起点となる時間である評価時間窓起点および終点となる時間である評価時間窓終点により定まる評価時間窓を設定し、前記超音波信号のうち前記評価時間窓に対応する前記超音波信号を選択して評価する、
   ものであって、
   前記超音波信号は、前記被検査体の欠陥で発生する前記超音波の反射超音波の信号であり、
   前記評価時間窓はそれぞれ、前記第１の照射点および前記第２の照射点におけるそれぞれの前記超音波信号の発生時間幅をカバーするように定められる、
   ことを特徴とする欠陥検査方法。
10. 構造体を準備する準備ステップと、
    前記構造体を前記被検査体として請求項９記載の欠陥検査方法を実施する検査ステップと、
    を備えることを特徴とする構造体の製造方法。

Images